Способы крепления мощных транзисторов на радиатор. Простой расчет площади теплоотвода для мощных транзисторов и тиристоров. Зачем все это



Часто необходимо, как мы видели в приведенных выше схемах, использовать мощные транзисторы или другие сильноточные устройства, такие, как КУВ или силовые выпрямители, рассеивающие мощности во много ватт. Недорогой и очень распространенный мощный транзистор 2N3055, правильно смонтированный, рассеивает мощность до 115 Вт. Все мощные устройства выпускаются в корпусах, обеспечивающих тепловой контакт между их металлической поверхностью и внешним радиатором. Во многих случаях металлическая поверхность устройства связана электрически с одним из выводов (например, у мощного транзистора она всегда связана с коллектором).


В принципе задача теплоотвода - удержать переходы транзисторов или других устройств при температуре, не превышающей указанной для них максимальной рабочей температуры. Для кремниевых транзисторов в металлических корпусах максимальная температура переходов обычно равна 200°С, а для транзисторов в пластмассовых корпусах равна 150°С. Зная эти параметры, проектировать теплоотвод просто: зная мощность, которую прибор будет рассеивать в данной схеме, подсчитываем температуру переходов с учетом теплопроводности транзистора, радиатора и максимальной рабочей температуры окружающей транзистор среды. Затем выбираем такой радиатор, чтобы температура переходов была намного ниже указанной изготовителем максимальной. Здесь разумно перестраховаться, так как при температурах, близких к максимальной, транзистор быстро выходит из строя.


Тепловое сопротивление. При расчете радиатора используют тепловое сопротивление Θ, которое равняется отношению величины перепада температур в градусах к передаваемой мощности. Если теплопередача происходит только путем теплопроводности, то тепловое сопротивление - величина постоянная, не зависящая от температуры, а зависящая только от устройства теплового контакта. Для последовательного ряда тепловых контактов общее температурное сопротивление равно сумме тепловых сопротивлений отдельных соединений. Таким образом, для транзистора смонтированного на радиаторе, общее тепловое сопротивление при передаче тепла от p-n - перехода на внешнюю среду равно сумме тепловых сопротивлений переход - корпус Θ пк, соединения корпус - радиатор Θ кр и перехода радиатор - среда Θ рс. Таким образом, температура p-n - перехода будет равна

Т п =Т с + (Θ пк + Θ кр + Θ рс)Р

где Р- рассеиваемая мощность


Рассмотрим пример. Приведенная ранее схема источника питания с внешним проходным транзистором имеет максимум рассеиваемой на транзисторе мощности 20 Вт при не стабилизированном входном напряжении +15 В (10 В падения напряжения, 2 А). Предположим, что эта схема должна работать при окружающей температуре 50°С - не так уж невероятно для компактно расположенного электронного оборудования, - и постараемся удержать температуру переходов ниже 150°С, т.е. намного ниже, чем указанные изготовителем 200°С. Тепловое сопротивление от перехода к корпусу равно 1,5 °С/Вт. Мощный транзистор в корпусе ТО-3, смонтированный со специальной прокладкой, обеспечивающей электрическую изоляцию и тепловой контакт, имеет тепловое сопротивление от корпуса к радиатору порядка 0,3 °С/Вт. И наконец, радиатор фирмы Wakefield, модель 641 (рис. 6.6), имеет тепловое сопротивление на границе с внешней средой порядка 2,3 °С/Вт. Поэтому общее тепловое сопротивление между р-n - переходом и внешней средой будет равно 4,1 °С/Вт. При рассеиваемой мощности 20 Вт температура перехода будет на 84°С выше температуры окружающей среды, т.е. будет равна 134°С (при максимальной внешней температуре для данного случая). Итак, выбранный радиатор пригоден, а если необходимо сэкономить пространство, то можно выбрать и несколько меньший.


Замечания о радиаторах.

1. В схемах, где рассеиваются большие мощности, например несколько сотен ватт, может понадобиться принудительное воздушное охлаждение. Для этого выпускаются большие радиаторы, предназначенные для работы с вентиляторами и имеющие очень низкое тепловое сопротивление от радиатора к внешней среде - от 0.05 до 0.2 °С/Вт.

2. Если транзистор должен быть электрически изолирован от радиатора, как это обычно и необходимо, особенно если несколько транзисторов установлено на одном радиаторе, то используют тонкие изолирующие прокладки между транзисторами и радиаторами, а также изолирующие вкладыши для монтажных винтов. Прокладки выпускаются под стандартные транзисторные корпусы и делаются из слюды, изолированного алюминия и двуокиси бериллия Ве0 2 . При использовании теплопроводящей смазки они создают дополнительное тепловое сопротивление от 0,14 °С/Вт (бериллиевые) до 0,5 °С/Вт. Хорошей альтернативой классическому сочетанию прокладка из слюды плюс смазка могут служить изоляторы на основе кремнийорганических соединений без использования смазки с дисперсионным покрытием теплопроводным компаундом; обычно это нитрид бора или окись алюминия. Эти изоляторы чисты и сухи, удобны в употреблении, вам не грозит испачкать руки, одежду и электронику белым липким веществом, к тому же вы экономите уйму времени. Тепловое сопротивление этих изоляторов составляет 0,2 - 0.4 °С/Вт, т. е. вполне сравнимое с величинами «грязного» метода. Фирма Bergquist называет свою продукцию «Sil-pad», Chomerics - «Cho - Therm», продукта SPC известна под названием «Koolex», Xhermalloy называет свою «Thermasil». Мы в своей работе с успехом используем все эти изоляторы.

3. Малые радиаторы выпускаются в виде простых насадок на малогабаритные корпусы транзисторов (подобные стандартному ТО-5). В случае малой рассеиваемой мощности (1 - 2 Вт) этого вполне достаточно и не надо мучиться, монтируя транзистор куда-то на радиатор, а потом тащить от него провода обратно к схеме (пример см. на рис. 6.6). Кроме того, существуют различные типы малых радиаторов для работы с мощными ИМС в пластмассовых корпусах (многие стабилизаторы, а также мощные транзисторы имеют такие корпуса) которые монтируются прямо на плату под корпус ИМС. Это очень удобно в схемах, где рассеивается мощность не больше нескольких ватт (пример см. также на рис. 6.6).

4. Иногда удобно монтировать мощный транзистор прямо на шасси или корпус прибора. В этом случае лучше использовать консервативный метод проектирования (корпус должен оставаться холодным), так как нагретый корпус нагреет и другие элементы схемы и сократит их сроки службы.

5. Если транзистор смонтирован на радиаторе без изоляции, то надо изолировать радиатор от шасси. Применение изолирующих прокладок рекомендуется всегда (например, модель Wakefield 103), если, конечно, корпус транзистора не заземлен по идее. Если транзистор изолирован от радиатора, то радиатор можно закрепить прямо на шасси. Но если транзистор выступает наружу из прибора (скажем, радиатор его смонтирован на внешней стогне задней стенки), то имеет смысл изолировать этот транзистор, чтобы никто до него случайно не дотронулся и не замкнул на землю (изолировать можно, например, прокладкой Thermalloy 8903N).

6. Тепловое сопротивление радиатор - вншняя среда обычно указывается, когда рёбра радиатора установлены вертикально и обдуваются воздухом без помех. Если же радиатор установлен как-нибудь по-другому или есть препятствия на пути потока воздуха, то эффективность радиатора снижается (повышается тепловое сопротивление); лучше всего монтировать радиатор на задней стенке прибора, ставя ребро вертикально.


Рис. 6.6. Радиаторы для мощных транзисторов. Фирмы - изготовители: I - IERC, T - Thermalloy, W - Wakefield, (размеры даны в дюймах, 1" = 25.4 мм).


Упражнение 6.2. Транзистор 2N5320. имеющий тепловое сопротивление переход-корпус 17,5 °С/Вт, снабжен съемным радиатором типа IERC TXBF (см. рис. 6.6). Максимальная допустимая температура перехода 200°С. Какая мощность может рассеиваться такой конструкцией при внешней температуре 25°С? Как эта мощность уменьшается с каждым градусом увеличения температуры окружающей среды?



Нередко, проектируя мощное устройство на силовых транзисторах, или прибегая к использованию в схеме мощного выпрямителя, мы сталкиваемся с ситуацией, когда необходимо рассеивать очень много тепловой мощности, измеряемой единицами, а иногда и десятками ватт.

К примеру IGBT-транзистор FGA25N120ANTD от Fairchild Semiconductor, если его правильно смонтировать, теоретически способен отдать через свой корпус порядка 300 ватт тепловой мощности при температуре корпуса в 25 °C! А если температура его корпуса будет 100 °C, то транзистор сможет отдавать 120 ватт, что тоже совсем немало. Но для того чтобы корпус транзистора в принципе смог отдать это тепло, необходимо обеспечить ему надлежащие рабочие условия, чтобы он раньше времени не сгорел.

Все силовые ключи выпускаются в таких корпусах, которые можно легко установить на внешний теплоотвод - радиатор. При этом в большинстве случаев металлическая поверхность ключа или другого устройства в выводном корпусе, электрически соединена с одним из выводов данного устройства, например с коллектором или со стоком транзистора.

Так вот, задача радиатора как раз и состоит в том, чтобы удержать транзистор, и главным образом его рабочие переходы, при температуре, не превышающей максимально допустимую.

Андрей Повный

Даже если и транзисторы будут верно выбраны и площадь радиатора будет правильно расчитана остается еще одна проблема - правильно установить транзисторы на радиатор.
Прежде всего слеует обратить внимание на поверхность радиатора в месте установки транзисторов или микросхем - там не должно быть лишних отверстий, поверхность должна быть ровной и не покрыта краской. В случае, если поверхность радиатора покрыта краской ее необходимо удалить наждачной бумагой, причем по мере удаления краски зернистость бумаги должна уменьшаться и когда следов краски уже не останется необходимо еще некоторое время полировать поверхность уже мелкой наждачной бумагой.
В качестве держателя наждачной бумаги довольно удобно использовать специальные насадки для отрезной машины (болгарки) или же воспользоваться шлифовальной машиной. Возможные варианты насадок показаны на рисунках.

Рисунок 25 Такой диск хорошо использовать для удаления старой краски, выравнивания поверхности радиатора в местах удаления "не нужных ребер", "черновой" шлифовки. Во время обработки радиатор обязательно закрепить в тисках подходящего размера.


Рисунок 26 Такую насадку хорошо использовать для "чистовой" шлифовки, причем использование отрезной машины не желательно - аллюминий "залипает" в наждачной бумаге и удержать машину в руках очень сложно - можно травмироваться. Форма самой насадки довольно удобно распологается в руке и ручная шлифовка не доставляет неудобств, а если в имеющуюся в насадке ввернуть винт и обмотать его изолентой - работа будет в радость.

При необходимости удалить лишь часть ребер радиатора отрезным кругом делают прорезь до несущего основания, затем делаются надрезы ребер у основания отрезным кругом малого диамера и "лишние" фрагменты отламываются. После этого, закрепив радиатор в тисках, либо крупным напильником, либо шлифовальным кругом (от отрезного он отличается гораздо большей толщиной) места отлома ребер сравнять с поверхностью несущего основания. Затем подготавливается шлифовальный инструмент. Для его изготовлнеия используется деревянный брус с ровной поверхностью. Ширина бруса должна быть немного меньше ширины удаленных ребер, а высота примерно в 2 раза больше высоты удаленных ребер - так его будет удобней держать в руке). Затем на обе "рабочие" строны бруса клеяться полоски из резины (можно приобрести бинт-резину в аптеке или кусок автомобильной камеры в будках вулканизации). Резина не должна быть натянута, используемый клей предназначен для резины или иметь полиуретановую основу. Затем на одну сторону бруса приклеевается крупнозернистая наждачная бумага для черновой шлифовки, на другую - мелкозернистая для "чистовой". Таким образом получается двухсторонее шлифовальное приспособление позволяющее довольно быстро произвести шлифовку поверхности радиатора без особых усилий. Если использовать наждачку на бумажной основе, продающуюся в автомагазинах, ее потребуется несколько больше - она забтвается интенсивней, чем та, которая продается в хозяйственных магазинах (на трапочной основе), однако в автомагазинах гораздо больший выбор по зернистости - начиная от довольно крупного зерна, до шлифовальной "нулевки".


Рисунок 27 Радиатор от "древней" телефонной станции подготовлен для установки двух усилителей УМ7293
Длина радиатора 170 мм, площадь охлаждения 4650 кв см - расчетная величина для суммарной мощности 150 Вт (2 х 75) составляет 3900 кв см.

Двольно часто приходится крепить транзисторы на радиаторы через изолирующие прокладки. Вырезать слюду не проблема, а вот с изорированным крепежом довольно часто возникают недоразумения. Корпуса транзисторов ТО-126, ТО-247, TO-3PBL (TO-264) конструктивно выполнены так, что изолированный крепеж н нужен - внутри корпса, в крепежном отверстии электрического контакта с фланцем не произойдет. А вот корпуса ТО-220, ТО-204АА без изолированного крепежа не обойдутся.
Выйти из положенияможно изготовиви такой крепеж самостоятельно, используюя обычные винты и шайбы (рис 28-а). На винт, возле головки наматываются нитки (желательно хлопчато-бумажные, но найти их на сегодня довольно не просто). Длина намотки не должна превышать 3,5 мм, увеличение диаметра не должно быть больше 3,7 мм (рис 28-б). Далее нитки пропитываются СУПЕРКЛЕЕМ, желательно СЕКУНДА или СУПЕРМОМЕНТ. Смачиватьт нтки следует аккуратно, чтобы клей не попал на находящуюуся рядом резьбу.
Пока клей подсыхает необходимо сделать "кондуктор" - приспособление, которое позволит нормировать высоту изоляционного вкладыша, находящегоя внутри фланца транзистора. Для это необходимо в пластмассовой, алиминиевой или текстолитовой детале (толщина заготовки не менее 3 мм, максиму не пренципиален, но более 5 мм брать смысла не имеет) просверлить отверстие, желательно на сверлильном станке (так угол по отношению к плоскости заготовки получится ровно 90°, что не маловажно), диаметром 2,5 мм. Затем на глубину 1,2...1,3 мм сверлится углубление диаметром 4,2 мм, углубления желательно сверлить в ручную, чтобы не перестараться с глубиной. Затем в отверстии 2,5 мм нарезается резьба М3 (рис 28-в).


Рисунок 28

Затем на винт одевается шайба и он закручивается в "кондуктор" до упора проклеенных ниток внутри углубления, шайьа укладывается на плоскость заготовки и голкой наноситься СУПЕРКЛЕЙ в места соприкосновения винта и шайбы по всему периметру соприкосновения (рис 29-а). Как только клей высохнет на получившийся желобок наматываются нитки, время от времени смачиваемые СУПЕРКЛЕЕМ до выравнивания ниток с диаметром головки винта, в идеале ниок возле шайбы должно быть немного больше, т.е. получившийся пластиковый вкладыш будет иметь форму усеченного конуса (рис 29-б). Как только клей высохнет, а для этого потребуется примерно мнут 10 (внутри намотки клей сохнет медленней) винт можно выкручивать (рис 29-в) и устананавливать транзистор на радиатор (рис 30) не забыв обработать фланец транзистора и место установки на радиаторе термопроводной пастой, например КПТ-8. Кстати сказать, на нескольких сайтах по разгону процессоров IBM проводились тесты на теплопроводность различных термопаст - КПТ-8 устойчиво везде фигурирует на вторых местах, а с учетом того, что она стоит в разы дешевле победителей, то получается лидером в пропорции цена-качество.


Рисунок 29


Рисунок 30 Крепление транзистора ТО-220 с помощью самодельного изолирующего винта.

Корпуса транзисторов тиа ТО-247 на радиатор можно устанавливать используюя имеющиеся в них отверстия, причем изолирующий крепеж не нужен, однако при сборке усилителей больших мощностей сверлить и нарезать резьбу в толстом несущем основании довольно утомительно - при четырех парах оконечников надо подготовить 8 отверстий и это только усилитель на 400-500 Вт. Тем более и силумин, и дюралюминий и уж тем более алюминий даже при сверлении налипают на режущую кромку, что приводит к поломке сверла, ну а сколько сломано метчиков при нарезании резьбы лучше не упоминать вообще.
Поэтому иногда проще испольховать дополнительные планки, которые будут прижимать сразу ВСЕ транзисторы оодной структуры, а в качестве крепежа использовать более толстые саморезы и их потребуется значительно меньшею Один из вариантов крепления показан на рисунке 31. как видно из фото 6 транзисторов прижимаются всего треми саморезами и усилие значительно больше, если бы каждый из них прижимался свои винтом. В случае ремонта (не дай Бог, конечно) и откручивать будет намного проще.


Рисунок 31 Крепление транзисторов к радиатору с помощью планки.

Смысл прижимного усилия заключается в том, что закручивая саморез по металлу (используется для крепления листового железа, продается во всех хозяйственных магазинах, резину с шайбы лучше удалить сразу - ее все равно разорвет) планка одной строной упирается в винт М3 с прокладками из винтов М4. Суммарная высота этой конструкции получается немного больше толщины корпуса транзистора, буквально на 0,3...0,8 мм, что приводит к небольшому перекосу планки и своим вторым краем она прижимает транзистор в середине корпуса.
Поэтому при при выборе планки ее ширина должна быть вырана из расчета:
- от края до середины отверстия с винтом М3 3-4 мм
- от середины отверстия с винтом М3 до середины отверстия с саморезом 6-7 мм
- от середины отверстия под саморез до края транзистора 1-2 мм
- от кра транзисора до середины его корпуса ±2 мм.
Ширина планки в мм не указывается преднамеренно, поскольку таким способом можно крепить транзисторы практически в любых корпусах.
Планку можно изготовить из стеклотекстолита, полоски которого как правило валаяются у радиолюбителей. При толщине текстолита 1,5 мм для крпеления корпусов ТО-220 текстолит необходимо сложить в трое, при креплении корпусов ТО-247 - в четверо, при креплении корпусов ТО-3PBL - в пятеро. Текстолит очищается от фольги, если фольгирован, причем хоть механическим способом, хоть травлением. Затем зачищается самой крупной наждачной бумагой и склеивается эпоксидным клеем, желательно Дзержинского производства. После того, как плоскости были зашкурены и промазаны клеем полоски складывают и ложат под пресс или зажимают в тиски, учитывая то, что излишки клея все таки будут куда то капать, то лучше место вероятных капель защить положим туда целофановый пакет, который потом можно выкинуть.
Полимеризоваться клей должен не менее суток при комнетной температуре, ускорять полимеризацию путем увеличения отверлителя не стоит - клей приобретает хрупкость, а вот прогревание наоборот - уменьшают время затвердивания клея без изменений физических свойств клея. Прогревать можно обычным феном, если нет сушильного шкафа.
Желательно придать планке дополнительнуюжесткость с однйо стороны вертикально сложенные в двое дополнительные полоски текстолита.
После высыхания эпоксидного клея, в месте механического контакта планки с корпусом транзистора необходимо наклеить сложенную в трое-четверо полоску альбомной бумаги (ширина получившейся полоски 5-8 мм, в зависимости от корпуса транзистора), предварительно промазав всю заготовку полиуретановым клеем (ТОП-ТОП, МОМЕНТ-КРИСТАЛ). Данная прослойка из бумаги придаст необходиму для равномерного прижатия эластичность не уменьшив усилия придавливания корпуса к радиатору (рис 32).
В качестве материала для прижимной планки может быть использован не только стеклотекстолит, то и уголок или дюралюминиевый профиль или другой, достаточно крепкий материал.


Рисунок 32

Небольшой технологический совет - не смотра на то, что саморезы имеют форму сверла и при крепелнии листового железа не требуют засверливания при сверлении радиатора, в местах закручивания самореза, лучше просверлить отверстия диаметром 3 мм, поскольку толщина алюминия намного больше материала, под который расчитаны данные саморезы и алюминий довольно сильно залипает на режущей кромку (вы может просто свернуть головку при попытке без сверления закрутить саморезх в алюминий или силумин).
Использование крепежных планок можно производить и при установке на радиатор "разнокаллиберных" транзисторов" используя небольшие утолшения планки в местах контакта с более тонкими корпусами, а учитывая то, что более тонки транзисторы и греются как правило меньше, то недостаток толщины можно компенсировать солженным в несколько слоев двухсторонним скотчем из пористой резины.
Остался еще один не решенный вопрос - мощность блока питания, но об этом уже сказанно здесь
Теперь надеемся, что самодельные усилители мощности будут умирать значительно реже....

Страница подготовлена по материалам ОГРОМНОГО количества сайтов о теплотехнике, аудиотехнике, сайтов о разгонах процессоров компьютеров и способах охлаждения, путем замеров и сравнений заводских вариантов усилителй мощности, использовались сообщения и переписки посетителей форумов ПАЯЛЬНИК и НЕМНОГО ЗВУКОТЕХНИКИ

Радиаторы и охлаждение.

http://radiokot.ru/articles/02/

В физике, электротехнике и атомной термодинамике есть известный закон - ток, протекающий по проводам, нагревает их. Придумали его Джоуль и Ленц, и оказались правы - так оно и есть. Всё, что работает от электричества, так или иначе часть проходящей энергии передаёт в тепло.
Так уж получилось в электронике, что самым страдающим от тепла объектом нашей окружающей среды является воздух. Именно воздуху нагревающиеся детали передают тепло, а от воздуха требуется принять тепло и куда-нибудь подевать. Потерять, к примеру, или рассеять по себе. Процесс отдачи тепла мы с вами назовем охлаждением.
Наши электронные конструкции тоже рассеивают немало тепла, одни - больше, другие - меньше. Греются стабилизаторы напряжения, греются усилители, греется транзистор, управляющий релюшкой или даже просто мелким светодиодом, разве что греется ну совсем немного. Ладно, если греется немного. Ну а если он жарится так, что руку держать нельзя? Давайте пожалеем его и попробуем как-нибудь ему помочь. Так сказать, облегчить его страдания.
Вспомним устройство батареи отопления. Да, да, та самая обычная батарея, что греет комнату зимой и на которой мы сушим носки и футболки. Чем больше батарея, тем больше тепла будет в комнате, так ведь? По батарее протекает горячая вода, она нагревает батарею. У батареи есть важная вещь - количество секций. Секции контактируют с воздухом, передают ему тепло. Так вот, чем больше секций, то есть чем больше занимаемая площадь батареи, тем больше тепла она может нам отдать. Приварив еще парочку секций, мы сможем сделать теплее нашу комнату. Правда, при этом горячая вода в батарее может остыть, и соседям ничего не останется.
Рассмотрим устройство транзистора.

На медном основании (фланце) 1 на подложке 2 закреплен кристалл 3 . Он подключается к выводам 4 . Вся конструкция залита пластмассовым компаундом 5 . У фланца есть отверстие 6 для установки на радиатор.
Вот это по сути та же самая батарея, посмотрите! Кристалл греется, это как горячая вода. Медный фланец контактирует с воздухом, это секции батареи. Площадь контакта фланца и воздуха - это место нагревания воздуха. Нагревающийся воздух охлаждает кристалл.

Как сделать кристалл холоднее? Устройство транзистора мы изменить не можем, это понятно. Создатели транзистора об этом тоже подумали и для нас, мучеников, оставили единственную дорожку к кристаллу - фланец. Фланец - это как одна-единственная секция у батареи - жарить жарит, а тепла воздуху не передается - маленькая площадь контакта. Вот тут предоставляется простор нашим действиям! Мы можем нарастить фланец, припаять к нему еще "парочку секций", то бишь большую медную пластинку, благо фланец сам медный, или же закрепить фланец на металлической болванке, называемой радиатором. Благо отверстие во фланце приготовлено под болт с гайкой.

Что же такое радиатор? Я твержу уже третий абзац про него, а толком так ничего и не рассказал! Ладно, смотрим:

Как видим, конструкция радиаторов может быть различной, это и пластинки, и ребра, а еще бывают игольчатые радиаторы и разные другие, достаточно зайти в магазин радиодеталей и пробежаться по полке с радиаторами. Радиаторы чаще всего делают из алюминия и его сплавов (силумин и другие). Медные радиаторы лучше, но дороже. Стальные и железные радиаторы применяются только на очень небольшой мощности, 1-5Вт, так как они медленно рассеивают тепло.
Тепло, выделяемое в кристалле, определяется по очень простой формуле P=U*I , где P - выделяемая в кристалле мощность, Вт, U = напряжение на кристалле, В, I - сила тока через кристалл, А. Это тепло проходит через подложку на фланец, где передается радиатору. Далее нагретый радиатор контактирует с воздухом и тепло передается ему, как следующему участнику нашей системы охлаждения.

Посмотрим на полную схему охлаждения транзистора.

У нас появились две штуки - это радиатор 8 и прокладка между радиатором и транзистором 7 . Её может и не быть, что и плохо, и хорошо одновременно. Давайте разбираться.

Расскажу о двух важных параметрах - это тепловые сопротивления между кристаллом (или переходом, как его еще называют) и корпусом транзистора - Rпк и между корпусом транзистора и радиатором - Rкр. Первый параметр показывает, насколько хорошо тепло передается от кристалла к фланцу транзистора. Для примера, Rпк, равное 1,5градуса Цельсия на ватт, объясняет, что с увеличением мощности на 1Вт разница температур между фланцем и радиатором будет 1,5градуса. Иными словами, фланец всегда будет холоднее кристалла, а насколько - показывает этот параметр. Чем он меньше, тем лучше тепло передается фланцу. Если мы рассеиваем 10Вт мощности, то фланец будет холоднее кристалла на 1,5*10=15градусов, а если же 100Вт - то на все 150! А поскольку максимальная температура кристалла ограничена (не может же он жариться до белого каления!), фланец надо охлаждать. На эти же 150 градусов.

К примеру:
Транзистор рассеивает 25Вт мощности. Его Rпк равно 1,3градуса на ватт. Максимальная температура кристалла 140градусов. Значит, между фланцем и кристаллом будет разница в 1,3*25=32,5градуса. А поскольку кристалл недопустимо нагревать выше 140градусов, от нас требуется поддерживать температуру фланца не горячее, чем 140-32,5=107,5градусов. Вот так.
А параметр Rкр показывает то же самое, только потери получаются на той самой пресловутой прокладке 7. У нее значение Rкр может быть намного больше, чем Rпк, поэтому, если мы конструируем мощный агрегат, нежелательно ставить транзисторы на прокладки. Но всё же иногда приходится. Единственная причина использовать прокладку - если нужно изолировать радиатор от транзистора, ведь фланец электрически соединен со средним выводом корпуса транзистора.

Вот давайте рассмотрим еще один пример.
Транзистор жарится на 100Вт. Как обычно, температура кристалла - не более 150градусов. Rпк у него 1градус на ватт, да еще и на прокладке стоит, у которой Rкр 2градуса на ватт. Разница температур между кристаллом и радиатором будет 100*(1+2)=300градусов. Радиатор нужно держать не горячее, чем 150-300 = минус 150 градусов: Да, дорогие мои, это тот самый случай, который спасет только жидкий азот: ужос!
Намного легче живется на радиаторе транзисторам и микросхемам без прокладок. Если их нет, а фланцы чистенькие и гладкие, и радиатор сверкает блеском, да еще и положена теплопроводящая паста, то параметр Rкр настолько мал, что его просто не учитывают.

Охлаждение бывает двух типов - конвекционное и принудительное. Конвекция, если помним школьную физику, это самостоятельное распространение тепла. Так же и конвекционное охлаждение - мы установили радиатор, а он сам там как-нибудь с воздухом разберется. Радиаторы конвекционного типа устанавливаются чаще всего снаружи приборов, как в усилителях, видели? По бокам две металлические пластинчатые штуковины. Изнутри к ним привинчиваются транзисторы. Такие радиаторы нельзя накрывать, закрывать доступ воздуха, иначе радиатору некуда будет девать тепло, он перегреется сам и откажется принимать тепло у транзистора, который долго думать не будет, перегреется тоже и: сами понимаете что будет. Принудительное охлаждение - это когда мы заставляем воздух активнее обдувать радиатор, пробираться по его ребрам, иглам и отверстиям. Тут мы используем вентиляторы, различные каналы воздушного охлаждения и другие способы. Да, кстати, вместо воздуха запросто может быть и вода, и масло, и даже жидкий азот. Мощные генераторные радиолампы частенько охлаждаются проточной водой.
Как распознать радиатор - для конвекционного он или принудительного охлаждения? От этого зависит его эффективность, то есть насколько быстро он сможет остудить горячий кристалл, какой поток тепловой мощности он сможет через себя пропустить.
Смотрим фотографии.

Первый радиатор - для конвекционного охлаждения. Большое расстояние между ребрами обеспечивает свободный поток воздуха и хорошую теплоотдачу. На второй радиатор сверху одевается вентилятор и продувает воздух сквозь ребра. Это принудительное охлаждение. Разумеется, использовать везде можно и те, и те радиаторы, но весь вопрос - в их эффективности.
У радиаторов есть 2 параметра - это его площадь (в квадратных сантиметрах) и коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс (в Ваттах на градус Цельсия). Площадь считается как сумма площадей всех его элементов: площадь основания с обеих сторон + площадь пластин с обеих сторон. Площадь торцов основания не учитывается, так там квадратных сантиметров ну совсем немного будет.

Пример:
радиатор из примера выше для конвекционного охлаждения.
Размеры основания: 70х80мм
Размер ребра: 30х80мм
Кол-во ребер: 8
Площадь основания: 2х7х8=112кв.см
Площадь ребра: 2х3х8=48кв.см.
Общая площадь: 112+8х48=496кв.см.

Коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс показывает, на сколько увеличится температура выходящего с радиатора воздуха при увеличении мощности на 1Вт. Для примера, Rрс, равное 0,5 градуса Цельсия на Ватт, говорит нам, что температура увеличится на полградуса при нагреве на 1Вт. Этот параметр считается трехэтажными формулами и нашим кошачьим умам ну никак не под силу: Rрс, как и любое тепловое сопротивление в нашей системе, чем меньше, тем лучше. А уменьшить его можно по-разному - для этого радиаторы чернят химическим путем (например алюминий хорошо затемняется в хлорном железе - не экспериментируйте дома, выделяется хлор!), еще есть эффект ориентировать радиатор в воздухе для лучшего прохождения его вдоль пластин (вертикальный радиатор лучше охлаждается, чем лежачий). Не рекомендуется красить радиатор краской: краска - лишнее тепловое сопротивление. Если только слегка, чтобы темненько было, но не толстым слоем!

В приложении есть маленький программчик, в котором можно посчитать примерную площадь радиатора для какой-нибудь микросхемы или транзистора. С помощью него давайте рассчитаем радиатор для какого-нибудь блока питания.
Схема блока питания.

Блок питания выдает на выходе 12Вольт при токе 1А. Такой же ток протекает через транзистор. На входе транзистора 18Вольт, на выходе 12Вольт, значит, на нем падает напряжение 18-12=6Вольт. С кристалла транзистора рассеивается мощность 6В*1А=6Вт. Максимальная температура кристалла у 2SC2335 150градусов. Давайте не будем эксплуатировать его на предельных режимах, выберем температуру поменьше, для примера, 120градусов. Тепловое сопротивление переход-корпус Rпк у этого транзистора 1,5градуса Цельсия на ватт.
Поскольку фланец транзистора соединен с коллектором, давайте обеспечим электрическую изоляцию радиатора. Для этого между транзистором и радиатором положим изолирующую прокладку из теплопроводящей резины. Тепловое сопротивление прокладки 2градуса Цельсия на ватт.
Для хорошего теплового контакта капнем немного силиконового масла ПМС-200. Это густое масло с максимальной температурой +180градусов, оно заполнит воздушные промежутки, которые обязательно образуются из-за неровности фланца и радиатора и улучшит передачу тепла. Многие используют пасту КПТ-8, но и многие считают её не самым лучшим проводником тепла.
Радиатор выведем на заднюю стенку блока питания, где он будет охлаждаться комнатным воздухом +25градусов.
Все эти значения подставим в программку и посчитаем площадь радиатора. Полученная площадь 113кв.см - это площадь радиатора, рассчитанная на длительную работу блока питания в режиме полной мощности - дольше 10часов. Если нам не нужно столько времени гонять блок питания, можно обойтись радиатором поменьше, но помассивнее. А если мы установим радиатор внутри блока питания, то отпадает необходимость в изолирующей прокладке, без нее радиатор можно уменьшить до 100кв.см.
А вообще, дорогие мои, запас карман не тянет, все согласны? Давайте думать о запасе, чтобы он был и в площади радиатора, и в предельных температурах транзисторов. Ведь ремонтировать аппараты и менять пережаренные транзисторы придется не кому-нибудь, а вам самим! Помните об этом!
Удачи.

О защите электрических схем от неправильной полярности питания при помощи полевого транзистора, я вспомнил о том, что давно имею не решенную проблему автоматического отключения аккумулятора от зарядного устройства при обесточивании последнего. И стало мне любопытно, нельзя ли применить подобный подход в другом случае, где тоже испокон века в качестве запорного элемента использовался диод.

Эта статья является типичным гайдом по велосипедостроению, т.к. рассказывает о разработке схемы, функционал которой уже давно реализован в миллионах готовых устройств. Поэтому просьба не относится к данному материалу, как к чему-то совсем утилитарному. Скорее это просто история о том, как рождается электронное устройство: от осознания необходимости до работающего прототипа через все препятствия.

Зачем все это?

При резервировании низковольтного источника питания постоянного тока самый простой путь включения свинцово-кислотного аккумулятора – это в качестве буфера, просто параллельно сетевому источнику, как это делалось в автомобилях до появления у них сложных «мозгов». Аккумулятор хоть и работает в не самом оптимальном режиме, но всегда заряжен и не требует какой-либо силовой коммутации при отключении или включении сетевого напряжения на входе БП. Далее более подробно о некоторых проблемах такого включения и попытке их решить.

История вопроса

Еще каких-то 20 лет назад подобный вопрос не стоял на повестке дня. Причиной тому была схемотехника типичного сетевого блока питания (или зарядного устройства), которая препятствовала разряду аккумулятора на его выходные цепи при отключении сетевого напряжения. Посмотрим простейшую схему блока с однополупериодным выпрямлением:

Совершенно очевидно, что тот же самый диод, который выпрямляет переменное напряжение сетевой обмотки, будет препятствовать и разряду аккумулятора на вторичную обмотку трансформатора при отключении питающего напряжения сети. Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя, несмотря на несколько меньшую очевидность, обладает точно такими же свойствами. И даже использование параметрического стабилизатора напряжения с усилителем тока (такого, как широко распространенная микросхема 7812 и ее аналоги), не меняет ситуацию:

Действительно, если посмотреть на упрощенную схему такого стабилизатора, становится понятно, что эмиттерный переход выходного транзистора исполняет роль все того же запорного диода, который закрывается при пропадании напряжения на выходе выпрямителя, и сохраняет заряд аккумулятора в целости и сохранности.

Однако в последние годы все изменилось. На смену трансформаторным блокам питания с параметрической стабилизацией пришли более компактные и дешевые импульсные AC/DC-преобразователи напряжения, которые обладают гораздо более высоким КПД и соотношением мощность/вес. Вот только при всех достоинствах, у этих источников питания обнаружился один недостаток: их выходные цепи имеют гораздо более сложную схемотехнику, которая обычно никак не предусматривает защиту от обратного затекания тока из вторичной цепи. В результате, при использовании такого источника в системе вида “БП -> буферный аккумулятор -> нагрузка”, при отключении сетевого напряжения аккумулятор начинает интенсивно разряжаться на выходные цепи БП.

Простейший путь (диод)

Простейшее решение состоит в использовании диода с барьером Шоттки, включенного в разрыв положительного провода, соединяющего БП и аккумулятор:

Однако основные проблемы такого решения уже озвучены в упомянутой выше статье. Кроме того, такой подход может быть неприемлемым по той причине, что для работы в буферном режиме 12-вольтовому свинцово-кислотному аккумулятору нужно напряжение не менее 13.6 вольт. А падающие на диоде почти пол вольта могут сделать это напряжение банально недостижимым в сочетании с имеющимся блоком питания (как раз мой случай).

Все это заставляет искать альтернативные пути автоматической коммутации, которая должна обладать следующими свойствами:

  1. Малое прямое падение напряжения во включенном состоянии.
  2. Способность без существенного нагрева выдерживать во включенном состоянии прямой ток, потребляемый от блока питания нагрузкой и буферным аккумулятором.
  3. Высокое обратное падение напряжения и низкое собственное потребление в выключенном состоянии.
  4. Нормально выключенное состояние, чтобы при подключении заряженного аккумулятора к изначально обесточенной системе не начинался его разряд.
  5. Автоматический переход во включенное состояние при подаче напряжения сети вне зависимости от наличия и уровня заряда аккумулятора.
  6. Максимально быстрый автоматический переход в выключенное состояние при пропадании напряжения сети.
Если бы диод являлся идеальным прибором, то он без проблем выполнил все эти условия, однако суровая реальность ставит под сомнение пункты 1 и 2.

Наивное решение (реле постоянного тока)

При анализе требований, любому, кто хоть немного «в теме», придет мысль использовать для этой цели электромагнитное реле, которое способно физически замыкать контакты при помощи магнитного поля, создаваемого управляющим током в обмотке. И, наверное, он даже набросает на салфетке что-то типа этого:

В этой схеме нормально разомкнутые контакты реле замыкаются только при прохождении тока через обмотку, подключенную к выходу блока питания. Однако если пройтись по списку требований, то окажется, что эта схема не соответствует пункту 6. Ведь если контакты реле были однажды замкнуты, пропадание напряжения сети не приведет к их размыканию по той причине, что обмотка (а с ней и вся выходная цепь БП) остается подключенной к аккумулятору через эти же контакты! Налицо типичный случай положительной обратной связи, когда управляющая цепь имеет непосредственную связь с исполнительной, и в итоге система приобретает свойства бистабильного триггера.

Таким образом, подобный наивный подход не является решением проблемы. Более того, если проанализировать сложившуюся ситуацию логически, то легко можно прийти к выводу, что в промежутке “БП -> буферный аккумулятор” в идеальных условиях никакое другое решение кроме вентиля, проводящего ток в одном направлении, быть просто не может. Действительно, если мы не будем использовать какой-либо внешний управляющий сигнал, то что бы мы не делали в этой точке схемы, любой наш коммутирующий элемент, однажды включившись, сделает неотличимым электричество, создаваемое аккумулятором, от электричества, создаваемого блоком питания.

Окольный путь (реле переменного тока)

После осознания всех проблем предыдущего пункта, «шарящему» человеку обычно приходит в голову новая идея использования в качестве односторонне проводящего вентиля самого блока питания. А почему бы и нет? Ведь если БП не является обратимым устройством, и подведенное к его выходу напряжение аккумулятора не создает на входе переменного напряжения 220 вольт (как это и бывает в 100% случаев реальных схем), то эту разницу можно использовать в качестве управляющего сигнала для коммутирующего элемента:

Бинго! Выполняются все пункты требований и единственное, что для этого нужно – это реле, способное замыкать контакты при подаче на него сетевого напряжения. Это может быть специальное реле переменного тока, рассчитанное на сетевое напряжение. Или обычное реле со своими мини-БП (тут достаточно любой безтрансформаторной понижающей схемы с простейшим выпрямителем).

Можно было бы праздновать победу, но мне это решение не понравилось. Во-первых, нужно подключать что-то непосредственно к сети, что не есть гуд с точки зрения безопасности. Во-вторых, тем, что коммутировать это реле должно значительные токи, вероятно, до десятков ампер, а это делает всю конструкцию не такой тривиальной и компактной, как могло показаться изначально. Ну и в-третьих, а как же такой удобный полевой транзистор?

Первое решение (полевой транзистор + измеритель напряжения аккумулятора)

Поиски более элегантного решения проблемы привели меня к осознанию того факта, что аккумулятор, работающий в буферном режиме при напряжении около 13.8 вольта, без внешней «подпитки» быстро теряет исходное напряжение даже в отсутствии нагрузки. Если же он начнет разряжаться на БП, то за первую минуту времени он теряет не менее 0.1 вольта, чего более чем достаточно для надежной фиксации простейшим компаратором. В общем, идея такова: затвором коммутирующего полевого транзистора управляет компаратор. Один из входов компаратора подключен к источнику стабильного напряжения. Второй вход подключен к делителю напряжения блока питания. Причем коэффициент деления подобран так, чтобы напряжение на выходе делителя при включенном БП было примерно на 0.1..0.2 вольта выше, чем напряжение стабилизированного источника. В результате, при включенном БП напряжение с делителя всегда будет преобладать, а вот при обесточивании сети, по мере падения напряжения аккумулятора, оно будет уменьшаться пропорционально этому падению. Через некоторое время напряжение на выходе делителя окажется меньше напряжения стабилизатора и компаратор при помощи полевого транзистора разорвет цепь.

Примерная схема такого устройства:

Как видно, к источнику стабильного напряжения подключен прямой вход компаратора. Напряжение этого источника, в принципе, не важно, главное, чтобы оно было в пределах допустимых входных напряжений компаратора, однако удобно, когда оно составляет примерно половину напряжения аккумулятора, то есть около 6 вольт. Инверсный вход компаратора подключен к делителю напряжения БП, а выход – к затвору коммутирующего транзистора. Когда напряжение на инверсном входе превышает таковое на прямом, выход компаратора соединяет затвор полевого транзистора с землей, в результате чего транзистор открывается и замыкает цепь. После обесточивания сети, через некоторое время напряжение аккумулятора понижается, вместе с ним падает напряжение на инверсном входе компаратора, и когда оно оказывается ниже уровня на прямом входе, компаратор «отрывает» затвор транзистора от земли и тем самым разрывает цепь. В дальнейшем, когда блок питания снова «оживет», напряжение на инверсном входе мгновенно повысится до нормального уровня и транзистор снова откроется.

Для практической реализации данной схемы была использована имеющаяся у меня микросхема LM393. Это очень дешевый (менее десяти центов в рознице), но при этом экономичный и обладающий довольно неплохими характеристиками сдвоенный компаратор. Он допускает питание напряжением до 36 вольт, имеет коэффициент передачи не менее 50 V/mV, а его входы отличаются довольно высоким импедансом. В качестве коммутирующего транзистора был взят первый из доступных в продаже мощных P-канальных MOSFET-ов FDD6685. После нескольких экспериментов была выведена такая практическая схема коммутатора:

В ней абстрактный источник стабильного напряжения заменен на вполне реальный параметрический стабилизатор из резистора R2 и стабилитрона D1, а делитель выполнен на основе подстроечного резистора R1, позволяющего подогнать коэффициент деления под нужное значение. Так как входы компаратора имеют весьма значительный импеданс, величина гасящего сопротивления в стабилизаторе может составлять более сотни кОм, что позволяет минимизировать ток утечки, а значит и общее потребление устройства. Номинал подстроечного резистора вообще не критичен и без каких-либо последствий для работоспособности схемы может быть выбран в диапазоне от десяти до нескольких сотен кОм. Из-за того, что выходная цепь компаратора LM393 построена по схеме с открытым коллектором, для ее функционального завершения необходим также нагрузочный резистор R3, сопротивлением несколько сотен кОм.

Регулировка устройства сводится к установке положения движка подстроечного резистора в положение, при котором напряжение на ножке 2 микросхемы превышает таковое на ножке 3 примерно на 0.1..0.2 вольта. Для настройки лучше не лезть мультиметром в высокоимпедансные цепи, а просто установив движок резистора в нижнее (по схеме) положение, подключить БП (аккумулятор пока не присоединяем), и, измеряя напряжение на выводе 1 микросхемы, двигать контакт резистора вверх. Как только напряжение резким скачком упадет до нуля, предварительную настройку можно считать завершенной.

Не стоит стремиться к отключению при минимальной разнице напряжений, потому что это неизбежно приведет к неправильной работе схемы. В реальных условиях напротив приходится специально занижать чувствительность. Дело в том, что при включении нагрузки, напряжение на входе схемы неизбежно просаживается из-за не идеальной стабилизации в БП и конечного сопротивления соединительных проводов. Это может привести к тому, что излишне чувствительно настроенный прибор сочтет такую просадку отключением БП и разорвет цепь. В результате БП будет подключаться только при отсутствии нагрузки, а все остальное время работать придется аккумулятору. Правда, когда аккумулятор немного разрядится, откроется внутренний диод полевого транзистора и ток от БП начнет поступать в цепь через него. Но это приведет к перегреву транзистора и к тому, что аккумулятор будет работать в режиме долгого недозаряда. В общем, окончательную калибровку нужно проводить под реальной нагрузкой, контролируя напряжение на выводе 1 микросхемы и оставив в итоге небольшой запас для надежности.

Существенными недостатками этой схемы являются относительная сложность калибровки и необходимость мириться с потенциальными потерями энергии аккумулятора ради корректной работы.

Последний недостаток не давал покоя и после некоторых обдумываний привел меня к мысли измерять не напряжение аккумулятора, а непосредственно направление тока в цепи.

Второе решение (полевой транзистор + измеритель направления тока)

Для измерения направления тока можно было бы применить какой-нибудь хитрый датчик. Например, датчик Холла, регистрирующий вектор магнитного поля вокруг проводника и позволяющий без разрыва цепи определить не только направление, но и силу тока. Однако в связи с отсутствием такого датчика (да и опыта работы с подобными девайсами), было решено попробовать измерять знак падения напряжения на канале полевого транзистора. Конечно, в открытом состоянии сопротивление канала измеряется сотыми долями ома (ради этого и вся затея), но, тем не менее, оно вполне конечно и можно попробовать на этом сыграть. Дополнительным доводом в пользу такого решения является отсутствие необходимости в тонкой регулировке. Мы ведь будем измерять лишь полярность падения напряжения, а не его абсолютную величину.

По самым пессимистичным расчетам, при сопротивлении открытого канала транзистора FDD6685 около 14 мОм и дифференциальной чувствительности компаратора LM393 из колонки “min” 50 V/mV, мы будем иметь на выходе компаратора полный размах напряжения величиной 12 вольт при токе через транзистор чуть более 17 mA. Как видим, величина вполне реальная. На практике же она должна быть еще примерно на порядок меньше, потому что типичная чувствительность нашего компаратора равна 200 V/mV, сопротивление канала транзистора в реальных условиях с учетом монтажа вряд ли будет меньше 25 мОм, а размах управляющего напряжения на затворе может не превышать трех вольт.

Абстрактная реализация будет иметь примерно такой вид:

Тут входы компаратора подключены непосредственно к плюсовой шине по разные стороны от полевого транзистора. При прохождении тока через него в разных направлениях, напряжения на входах компаратора неизбежно будут отличаться, причем знак разницы будет соответствовать направлению тока, а величина – его силе.

На первый взгляд схема оказывается предельно простой, однако тут возникает проблема с питанием компаратора. Заключается она в том, что мы не можем запитать микросхему непосредственно от тех же цепей, которые она должна измерять. Согласно даташиту, максимальное напряжение на входах LM393 не должно быть выше напряжения питания минус два вольта. Если превысить этот порог, компаратор прекращает замечать разницу напряжений на прямом и инверсном входах.

Потенциальных решений возникшей проблемы два. Первое, очевидное, заключается в повышении напряжения питания компаратора. Второе, которое приходит в голову, если немного подумать, заключается в равном понижении управляющих напряжений при помощи двух делителей. Вот как это может выглядеть:

Эта схема подкупает своей простотой и лаконичностью, однако в реальном мире она, к сожалению, не реализуема. Дело в том, что мы имеем дело с разницей напряжений между входами компаратора всего в единицы милливольт. В то же время разброс сопротивлений резисторов даже самого высокого класса точности составляет 0.1%. При минимально приемлемом коэффициенте деления 2 к 8 и разумном полном сопротивлении делителя 10 кОм, погрешность измерения будет достигать 3 mV, что в несколько раз превышает падение напряжения на транзисторе при токе 17 mA. Применение «подстроечника» в одном из делителей отпадает по той же причине, ведь подобрать его сопротивление с точностью более 0.01% не представляется возможным даже при использовании прецизионного многооборотного резистора (плюс не забываем про временной и температурный дрейф). Кроме того, как уже писалось выше, теоретически эта схема вообще не должна нуждаться в калибровке из-за своей почти «цифровой» сущности.

Исходя из всего сказанного, на практике остается только вариант с повышением напряжения питания. В принципе, это не такая уж и проблема, если учесть, что существует огромное количество специализированных микросхем, позволяющих при помощи всего нескольких деталей соорудить stepup-преобразователь на нужное напряжение. Но тогда сложность устройства и его потребление возрастет почти вдвое, чего хотелось бы избежать.

Существует несколько способов соорудить маломощный повышающий преобразователь. Например, большинство интегральных преобразователей предполагают использование напряжения самоиндукции небольшого дросселя, включенного последовательно с «силовым» ключом, расположенным прямо на кристалле. Такой подход оправдан при сравнительно мощном преобразовании, например для питания светодиода током в десятки миллиампер. В нашем случае это явно избыточно, ведь нужно обеспечить ток всего около одного миллиампера. Нам гораздо более подойдет схема удвоения постоянного напряжения при помощи управляющего ключа, двух конденсаторов, и двух диодов. Принцип ее действия можно понять по схеме:

В первый момент времени, когда транзистор закрыт, не происходит ничего интересного. Ток из шины питания через диоды D1 и D2 попадает на выход, в результате чего на конденсаторе C2 устанавливается даже несколько более низкое напряжение, чем поступает на вход. Однако если транзистор откроется, конденсатор C1 через диод D1 и транзистор зарядится почти до напряжения питания (минус прямое падение на D1 и транзисторе). Теперь, если мы снова закроем транзистор, то окажется, что заряженный конденсатор C1 включен последовательно с резистором R1 и источником питания. В результате его напряжение сложится с напряжением источника питания и, понеся некоторые потери в резисторе R1 и диоде D2, зарядит C2 почти до удвоенного Uin. После этого весь цикл можно начинать сначала. В итоге, если транзистор регулярно переключается, а отбор энергии из C2 не слишком велик, из 12 вольт получается около 20 ценой всего пяти деталей (не считая ключа), среди которых нет ни одного намоточного или габаритного элемента.

Для реализации такого удвоителя, кроме уже перечисленных элементов, нам нужен генератор колебаний и сам ключ. Может показаться, что это уйма деталей, но на самом деле это не так, ведь почти все, что нужно, у нас уже есть. Надеюсь, вы не забыли, что LM393 содержит в своем составе два компаратора? А то, что использовали мы пока только один из них? Ведь компаратор – это тоже усилитель, а значит, если охватить его положительной обратной связью по переменному току, он превратится в генератор. При этом его выходной транзистор будет регулярно открываться и закрываться, отлично исполняя роль ключа удвоителя. Вот что у нас получится при попытке реализовать задуманное:

Поначалу идея питать генератор напряжением, которое тот сам фактически и вырабатывает при работе, может показаться довольно дикой. Однако если присмотреться внимательнее, то можно увидеть, что изначально генератор получает питание через диоды D1 и D2, чего ему вполне достаточно для старта. После возникновения генерации начинает работать удвоитель, и напряжение питания плавно возрастает примерно до 20 вольт. На этот процесс уходит не более секунды, после чего генератор, а вместе с ним и первый компаратор, получают питание, значительно превышающее рабочее напряжение схемы. Это дает нам возможность непосредственно измерять разность напряжений на истоке и стоке полевого транзистора и достичь-таки своей цели.

Вот окончательная схема нашего коммутатора:

Пояснять по ней уже нечего, все описано выше. Как видим, устройство не содержит ни одного настроечного элемента и при правильной сборке начинает работать сразу. Кроме уже знакомых активных элементов добавились только два диода, в качестве которых можно использовать любые маломощные диоды с максимальным обратным напряжением не менее 25 вольт и предельным прямым током от 10 mA (например, широко распространенный 1N4148, который можно выпаять из старой материнской платы).

Эта схема была проверена на макетной плате, где доказала свою полную работоспособность. Полученные параметры полностью соответствуют ожиданиям: мгновенная коммутация в оба направления, отсутствие неадекватной реакции при подключении нагрузки, потребление тока от аккумулятора всего 2.1 mA.

Один из вариантов разводки печатной платы тоже прилагается. 300 dpi, вид со стороны деталей (поэтому печатать нужно в зеркальном отражении). Полевой транзистор монтируется со стороны проводников.

Собранное устройство, полностью готовое к монтажу:

Разводил старым дедовским способом, поэтому вышло немного криво, однако тем не менее девайс уже несколько дней исправно выполняет свои функции в цепи с током до 15 ампер без всяких признаков перегрева.

10.1. Назначение радиаторов - отводить тепло от полупроводниковых приборов, что позволяет снизить температуру p-n-переходов и тем самым уменьшить ее влияние на рабочие параметры приборов. Применяют пластинчатые, ребристые и штыревые радиаторы, Для улучшения теплоотвода полу проводниковый при бор лучше всего крепить непосредственно к радиатору Если необходима электрическая изоляция прибора от шасси, радиатор крепят на шасси через изолирующие прокладки. Теплоизлучающая способность радиатора зависит от степени черноты материала (или его поверхности), из которого изготовлен радиатор:

Чем больше степень черноты, тем теплоотвод будет эффективнее.

10.2. Штыревой радиатор -весьма эффективный теплоотвод для полупроводниковых приборов. Для изготовления его требуется листовой дюралюминий толщиной 4-6 мм и алюминиевая проволока диаметром 3-5 мм.
На поверхности предварительно обработанной пластины радиатора намечают кернером места отверстий под штыри, выводы транзисторов (или диодов) и крепежные винты. Расстояние между центрами отверстий (шаг) под штыри в ряду и между рядами должно быть равно 2- 2,5 диаметра применяемой алюминиевой проволоки. Диаметр отверстий выбирают с таким расчетом, чтобы проволока входила в них с возможно меньшим зазором. С обратной стороны отверстия зенкуют на глубину 1- 1,5мм.
Из стального стержня длиной 80-100 и диаметром В-10 мм изготовляют оправку, для чего в торце стержня сверлят отверстие диаметром, на 0,1 мм большим диаметра проволоки. Глубина отверстия должна быть равна высоте будущих штырей радиатора.

Рис. 10.1. Обжимка для штырей радиатора

Затем нарезают требуемое число заготовок штырей. Для этого кусок проволоки вставляют в отверстие оправки и откусывают кусачками так, чтобы длина выступающего из оправки конца была на 1-1,5 мм больше толщины пластины. Оправку зажимают в тиски отверстием вверх, в отверстие вводят заготовку штыря, на выступающий конец которого надевают пластину лицевой стороной и расклепывают его легкими ударами молотка, стараясь заполнить зенкованное углубление. Таким образом устанавливают все штыри.
Штыревой радиатор можно также изготовить, используя несколько иной способ установки штырей в отверстиях пластины основания. Изготовляют стальную обжимку, чертеж которой для штырей диаметром 3 и длиной до 45мм приведен на рис. 10.1. Рабочую часть обжимки следует закалить. Штырь вставляют в отверстие основания радиатора, кладут основание на наковальню, сверху на штырь надевают обжимку и ударяют по ней молотком. Вокруг штыря образуется кольцевая канавка, а сам он оказывается плотно посаженным в отверстии.
Если необходимо изготовить двусторонний радиатор, то потребуется две такие обжимки: в одну из них, установленную на наковальне отверстием вверх, вставляют штырь, нанизывают основание радиатора, а сверху надевают вторую обжимку. Ударом молотка по верхней обжимке фиксируют штырь сразу с двух сторон. Этим способом можно изготовлять радиаторы как из алюминиевых, так и из медных сплавов. И, наконец, штыри можно установить с помощью пайки. Для этого берут в качестве материала медную или латунную проволоку диаметром 2-4 мм. Один конец штыря лудят на длину, большую толщины пластины на 1-2 мм. Диаметр отверстий в пластине должен быть таким, чтобы облуженные штыри входили в них без особого усилия.
В отверстия основания вводят жидкий флюс (табл. 9.2), вставляют штыри и мощным паяльником паяют каждый из них. По окончании работы радиатор промывают ацетоном.

Рис. 10.2. Радиатор для мощного транзистора

10.3. Радиатор из листовой меди толщиной 1-2мм можно изготовить для мощных транзисторов типа П210, КТ903 и других в подобных корпусах. Для этого вырезают из меди круг диаметром 60 мм, в центре заготовки размечают отверстия для крепления транзистора и его выводов. Затем в радиальном направлении надрезают круг ножницами для металла на 20 мм, разделив по окружности на 12 частей. После установки транзистора каждый сектор разворачивают на 90° и отгибают кверху.

10.4. Радиатор для мощных транзисторов типа КТ903, KT908 и других в подобных корпусах можно изготовить из алюминиевого листа толщиной 2мм (рис. 10.2). Указанные размеры радиатора обеспечивают площадь излучающей поверхности, достаточную для рассеяния мощности на транзисторе до 16 Вт.

Рис. 10.3. Радиатор для маломощного транзистора: а-развертка; б- общий вид

10.5. Радиатор для маломощных транзисторов можно изготовить из листовой красной меди или латуни толщиной 0,5 мм в соответствии с чертежами на рис. 10.3. После выполнения всех прорезей развертку сворачивают в трубку, используя оправку соответствующего диаметра. Затем заготовку плотно надевают па корпус транзистора и прижимают пружинящим кольцом, предварительно отогнув боковые крепежные ушки. Кольцо изготовляют из стальной проволоки диаметром 0,5-1 мм. Вместо кольца можно использовать бандаж из медной проволоки. Затем загибают вниз боковые ушки, отгибают наружу на нужный угол надрезанные "перья" заготовки - и радиатор готов.

10.6. Радиатор для транзисторов серии КТ315, КТ361 можно изготовить из полоски меди, алюминия или жести шириной на 2-3 мм больше ширины корпуса транзистора (рис. 10.4). Транзистор вклеивают в радиатор эпоксидным или другим клеем с хорошей теплопроводностью. Для лучшего теплового контакта корпуса транзистора с радиатором необходимо снять с корпуса лакокрасочное покрытие в местах контакта, а установку в радиатор и склеивание выполнить с минимальным возможным зазором. Устанавливают транзистор с радиатором на плату, как и обычно, при этом нижние кромки радиатора должны упираться в плату. Если ширина полоски 7 мм, а высота радиатора (из луженой жести толщиной 0,35 мм) - 22 мм, то при мощности рассеяния 500 мВт температура радиатора в месте приклеивания транзистора не превышает 55 °С.

10.7. Радиатор из "хрупкого" металла, например из листового дюралюминия, выполняют в виде набора пластин (рис. 10.5). При изготовлении прокладок и пластин радиатора необходимо следить, чтобы на кромках отверстий и на краях пластин не было заусенцев. Соприкасавшиеся поверхности прокладок и пластин тщательно [шлифуют на мелкозернистой наждачной бумаге, положив ее на ровное стекло. Если не требуется изолировать корпус транзистора от корпуса прибора, то радиатор можно крепить на стенке корпуса прибора или на внутренней перегородке без изолирующих прокладок, что обеспечивает более эффективную теплоотдачу.

10.8. Крепление диодов типа Д226 на радиаторе или на теплоотводящей пластине. Диоды крепят с помощью фланца. Катодный вывод откусывают у самого основания и тщательно зачищают донышко на мелкозернистой шкурке до получения чистой ровной поверхности. Если необходимо катодный вывод оставить, то в радиаторе сверлят отверстие под вывод, ацетоном с донышка снимают лак и аккуратно опиливают бортик (ободок) диода заподлицо с донышком для лучшего теплового контакта диода с радиатором.

10.9. Улучшение теплового контакта между транзистором и радиатором позволит обеспечить большую мощность рассеяния на транзисторе.
Иногда, особенно при использовании литых радиаторов, удалить раковины и другие изъяны поверхности в месте теплового контакта (для его улучшения) бывает затруднительно, а порой и невозможно. В этом случае поможет свинцовая прокладка. Пластину свинца аккуратно раскатывают или расплющивают между двумя гладкими плоскими брусками до толщины примерно 10,5 мм и вырезают прокладку необходимых размеров и формы. Мелкозернистой шкуркой зачищают обе ее стороны, устанавливают под транзистор и туго сжимают узел винтами. Прокладка не должна быть толще 1 мм, так как теплопроводность свинца невысока.

10.10. Чернение алюминиевых радиаторов. Для повышения эффективности теплоотдачи радиатора его поверхность обычно делают матовой и темной. Доступный способ чернения-обработка радиатора в водном растворе хлорного железа.
Для приготовления раствора требуется равное по объему количество порошка хлорного железа и воды. Радиатор очищают от пыли, грязи, тщательно обезжиривают бензином или ацетоном и погружают в раствор. Выдерживают в растворе 5-10 мин. Цвет радиатора получается темно-серым. Обработку необходимо производить в хорошо проветриваемом помещении или на открытом воздухе.

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

10.11. Тепловой режим маломощных транзисторов можно облегчить, надев на металлический корпус транзистора тор ("баранку") - спираль, свитую из медной, латунной или бронзовой проволоки диаметром 0,5-1,0 мм.
10.12. Хорошим радиатором может быть металлический корпус устройства или его внутренние перегородки.
10.13. Ровность контактной площадки радиатора проверяют, смазав основание транзистора какой-либо краской и приложив его к поверхности контактной площадки. Выступающие участки контакт. ной площадки радиатора окрасятся.
10.14. Для обеспечения хорошего теплового контакта можно поверхность транзистора, прилегающую к радиатору, смазать невысыхающей смазкой, например силиконовой. Это позволит снизить тепловое сопротивление контакта в полтора-два раза.
10.15. Для улучшения условий охлаждения радиатор нужно располагать так, чтобы не создавать помех конвекционным потокам воздуха: ребра радиатора-вертикально, а сторона, на которой расположен транзистор, должна быть сбоку, а не снизу или сверху.

Статьи по теме: